CN110729941A - 内置式永磁同步电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁同步电机的控制方法，具体为内置式永磁同步电机的控制方法。解决因电机参数发生非线性变化对永磁同步电机的控制精度造成影响的问题。本发明对最大转矩电流比的电流角度进行在线计算，根据电机动态参数进行实时修正，获得包含较准确的电机参数信息的电流角度模型，并利用该模型，进而计算得到MTPA角度，同时对最大转矩电流比的电流幅值进行实时修正，以此实现精确的最大转矩电流比控制。该算法能够使电机始终运行在最大转矩电流比运行点，受电机参数变化的影响小，具有良好的参数鲁棒性和动态响应特性。

Description

内置式永磁同步电机的控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的控制方法，具体为内置式永磁同步电机的控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有效率高，功率密度高，结构简单紧凑，运行可靠等优点，随着电力电子器件的发展，被广泛应用于电动汽车、新能源发电以及工业伺服驱动等领域。

内置式永磁同步电机因永磁体内埋于转子，其Q轴电感要明显大于D轴电感，这一特性致使电机产生磁阻转矩。为了充分利用磁阻转矩，提高系统的运行效率，通常采用最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere，MTPA)控制方法。

传统最大转矩电流比控制方法通过对电机转矩模型进行求导运算，并控制转矩对电流角变化率为零，得到满足最大转矩电流比的定子电流角度计算式：

由于MTPA角度计算式中包含永磁磁链ψ_f、D-Q轴电感L_Q、L_D等参数，在实际运行中，这些参数会随着负载波动、温度变化和磁路饱和等因素发生非线性变化，给MTPA角度计算带来比较大的困难。因此，提高电流角计算精确度的方法，成为最大转矩电流比控制的关键之一。

永磁同步电机具有功率密度大、效率高等优点，在电车驱动系统中得到了广泛的应用。车用内置式永磁同步电机多处于转矩控制模式，即驱动系统对主控系统下发的转矩指令进行跟踪控制。传统的转矩控制策略多为开环控制，即电机驱动器在接收到转矩指令后，通过电机模型直接计算出交直轴电流给定值，然后通过交直轴电流双闭环PI调节器进行控制。由于根据电机模型计算电流给定值时需要准确的电机参数，而电机参数在实际工况中是不断变化的，因此电机参数的误差对传统转矩控制的精度有较大影响。

发明内容

本发明解决因电机参数发生非线性变化对永磁同步电机的控制精度造成影响的问题，提供一种内置式永磁同步电机的控制方法。该控制方法通过转矩闭环控制方法和实时而准确的调节电机参数，根据转矩估算调节电流幅值和计算电流角度β，达到对电机电流较精准的分配，进而较精确的控制电机运行，该方法具有良好的稳态控制精度和动态响应速度。

本发明是采用如下技术方案实现的：内置式永磁同步电机的控制方法，分六个模块，即采样计算模块、定子电流幅值计算模块、电机参数计算模块、电流角度计算模块、电流给定值计算模块、电流前馈解耦计算模块；

1)采样计算模块

采集逆变器直流母线电压U_dc，以及电机定子电流i_a、i_b；对定子电流i_a、i_b进行Clarke变换和Park变换，得到同步旋转坐标系中定子电流D轴分量i_D和定子电流Q轴分量i_Q；

通过位置传感器(旋转变压器)采集电机转子位置角θ，并计算得到电机转子电角速度ω_r；

2)定子电流幅值计算模块

定子电流幅值计算模块包含转矩电流计算模块和电机电磁转矩估算模块；

转矩电流计算模块的输入变量为给定转矩T^*；输出变量为电机给定电流幅值

电机电磁转矩估算模块的输入变量为i_D、i_Q、L_D(t)、L_Q(i_Q,t)、ψ_f(t)、t；

电机电磁转矩估算模块的输出变量为T_e，其方程表示为：

其中i_D、i_Q为采样计算模块输出变量；L_D(t)、L_Q(i_Q,t)、ψ_f(t)、t为电机参数计算模块输出变量；p为电机极对数；

将电机给定转矩T^*与电机电磁转矩估算T_e做差，将所得转矩差值经过转矩PI控制器调节后，输出量Δi_S用来调节给定电流幅值

调节后的给定电流幅值i_S，其公式如：

3)电机参数计算模块

电机参数计算模块的输入变量为：

i_Q为电机定子Q轴电流实际值；

i_Q0为电感变化率发生转折时的Q轴电流分量；

L_Q0为在常温状态(或额定温度)下Q轴的电感分量，为常温下测量值或电机设计给定值；

L_D0为在常温状态(或额定温度)下D轴的电感分量，为常温下测量值或电机设计给定值；

ψ_f0为常温状态(或额定温度)下电机磁链值，为常温下测量值或电机设计给定值；

t为磁钢温度；

ρ为曲线系数，在Ansoft环境下采用有限元分析方法拟合曲线得到近似值，一般为0.1％-0.3％；

γ_t磁钢温度系数，可从磁钢手册中查找到；

其输出变量为：

L_Q(i_Q,t)为Q轴电感随i_Q和温度t变化的值，

L_D(t)为D轴电感随温度t变化的值，L_D(t)＝L_D0γ_tt；

ψ_f(t)为电机磁链随温度t变化的值，ψ_f(t)＝ψ_f0γ_tt；

ΔL_err0为在常温下Q轴电感L_Q0和D轴电感L_D0的差值，ΔL_err0＝L_Q0-L_D0；

Δi_Q0为Q轴实际电流i_Q和i_Q0之间的差值，Δi_Q0＝i_Q-i_Q0；

4)电流角度计算模块

电流角度计算模块的输入参数为：电机磁链初始值ψ_f0、ΔL_err0、Δi_Q0以及调节后的给定电流幅值i_S，输出参数为：最大转矩电流比角度β；

当i_Q＜i_Q0时，最大转矩电流比角度β表达式为：

当i_Q≥i_Q0时，最大转矩电流比角度β表达式为：

5)电流给定值计算模块

电流给定值计算模块输入变量为：最大转矩电流比角度β、调节后的给定电流幅值i_S；

电流给定值计算模块输出变量为：定子电流给定值

和

6)电流前馈解耦计算模块

电流前馈解耦计算模块的输入参数为：

i_D、i_Q、L_Q(i_Q,t)、L_D(t)、ψ_f(t)；输出参数为：给定参考电压和

Δu_D为D轴电流给定值

与D轴电流反馈值i_D的差值，再经过PI调节器输出的结果，即D轴电流闭环调节输出；

同理，Δu_Q为Q轴电流给定值

与D轴电流反馈值i_Q的差值，再经过PI调节器输出的结果，即Q轴电流闭环调节输出；

电流前馈解耦计算模块输出的给定参考电压

和

输入到脉冲调制模块，产生调制脉冲以控制电机运行。

本发明解决了现有最大转矩电流比控制算法易受参数变化影响、动态性能较差、算法复杂等问题；该方法可以保证内置式永磁同步电机平稳运行，且控制方法简单有效、精度高使用性强。

1)本发明对最大转矩电流比的电流角度进行在线计算，根据电机动态参数进行实时修正，获得包含较准确的电机参数信息的电流角度模型，并利用该模型，进而计算得到MTPA角度，同时对最大转矩电流比的电流幅值进行实时修正，以此实现精确的最大转矩电流比控制。该算法能够使电机始终运行在最大转矩电流比运行点，受电机参数变化的影响小，具有良好的参数鲁棒性和动态响应特性。

2)在传统永磁同步电机矢量控制算法的基础上，增加了转矩估算单元，利用估算的转矩来调节给定电流的幅值，以及利用动态电机参数，来寻找到最优的电流角，然后根据电流角算出给定的D-Q轴电流分配，实现内置式永磁同步电机的精确控制。

3)通过在前馈电压计算模块中对电机参数(永磁体磁链、D轴电感和Q轴电感)的变化情况进行在线估算，提高参考电压计算精度，达到提高电机控制精度的效果；

4)本发明与已有方法相比，具有电机参数动态调节和转矩估算功能，提高了电机最大转矩电流比控制的准确性，且提高了电机给定电压的精确性，具有良好参数鲁棒性的同时，无需复杂的高频信号注入、信号提取等步骤，简化采用数学运算直接求取MTPA角度，因此无需考虑系统带宽的影响，并且算法简单，计算速度快，动态性能良好。

附图说明

图1为本发明所述的内置式永磁同步电机控制框图。

具体实施方式

内置式永磁同步电机的控制方法，分六个模块(如图1所示)，即采样计算模块1、定子电流幅值计算模块2、电机参数计算模块3、电流角度计算模块4、电流给定值计算模块5、电流前馈解耦计算模块6；

1)采样计算模块

采集逆变器直流母线电压U_dc，以及电机定子电流i_a、i_b；对定子电流i_a、i_b进行Clarke变换和Park变换，得到同步旋转坐标系中定子电流D轴分量i_D和定子电流Q轴分量i_Q；

通过位置传感器(旋转变压器)采集电机转子位置角θ，并计算得到电机转子电角速度ω_r；

2)定子电流幅值计算模块

定子电流幅值计算模块包含转矩电流计算模块和电机电磁转矩估算模块；

转矩电流计算模块的输入变量为给定转矩T^*；输出变量为电机给定电流幅值转矩电流计算模块根据输入的电机给定转矩T^*，通过最大转矩电流比(MTPA)方法，得到此转矩下的D轴电流i_D1、Q轴电流i_Q1；再通过如下公式：

得到电机给定电流幅值

电机电磁转矩估算模块的输入变量为i_D、i_Q、L_D(t)、L_Q(i_Q,t)、ψ_f(t)、t；

电机电磁转矩估算模块的输出变量为T_e，其方程表示为：

其中i_D、i_Q为采样计算模块输出变量；L_D(t)、L_Q(i_Q,t)、ψ_f(t)、t为电机参数计算模块输出变量；p为电机极对数；

将电机给定转矩T^*与电机电磁转矩估算T_e做差，将所得转矩差值经过转矩PI控制器调节后，输出量Δi_S用来调节给定电流幅值

调节后的给定电流幅值i_S，其公式如：

3)电机参数计算模块

电机参数计算模块主要是对电机磁链、电感等参数进行实时计算的功能模块；

电机参数计算模块具体如图1中所示，其输入变量为：

i_Q为电机定子Q轴电流实际值；

i_Q0为电感变化率发生转折时的Q轴电流分量；

L_Q0为在常温状态(或额定工况)下Q轴的电感分量，为常温下测量值或电机设计给定值；

L_D0为在常温状态(或额定工况)下D轴的电感分量，为常温下测量值或电机设计给定值；

ψ_f0为常温状态(或额定工况)下电机磁链值，为常温下测量值或电机设计给定值；

t为磁钢温度，目前磁钢温度t是通过在电机定子中埋有温度传感器的方式而获得的近似值；由于电机磁钢温度变化比较平缓，在短时间内可以认为是固定值；

ρ为曲线系数，在Ansoft环境下采用有限元分析方法拟合曲线得到近似值，一般为0.1％-0.3％；

γ_t磁钢温度系数，可从磁钢手册中查找到；

其输出变量为包括：

L_Q(i_Q,t)为Q轴电感随i_Q和温度t变化的值；

L_D(t)为D轴电感随温度t变化的值；

ψ_f(t)为电机磁链随温度t变化的值；

ΔL_err0为在常温下Q轴电感L_Q0和D轴电感L_D0的差值；

Δi_Q0为Q轴实际电流i_Q和i_Q0之间的差值；

其中，永磁同步电机控制中需要用到的三个电机参数分别是电机永磁体磁链、交轴电感和直轴电感。

在永磁同步电机中D轴磁路上埋设有永磁体，因此D轴磁通不仅需要穿过铁心和气隙，还需要穿过永磁体，而Q轴磁通只需穿过铁心和气隙，由于铁心的磁导率很高，永磁体的磁导率接近于空气的磁导率，所以D轴磁路的磁阻要大于Q轴磁路的磁阻，从而导致Q轴电感L_Q大于D轴电感L_D。此外，Q轴磁路比D轴磁路更容易饱和，因此随着Q轴电流i_Q的增加L_Q会明显减小，而L_D随D轴电流i_D的变化相对较小。

在Ansoft环境下采用有限元分析方法，获取电机磁链和交直轴电感；

其中直轴电感和磁链受电流影响较小，近似恒定不变；交轴电感则受交轴电流影响较大，且具有非线性关系，近似拟合曲线如下：

上式中，当Q轴电流i_Q较小时，Q轴磁路没有进入饱和状态，所以交轴电感基本为一个常数，只是随着温度变化而缓慢变化的常量；随着i_Q不断增加，Q轴磁路进入饱和，交轴电感随之减小，此转折点i_Q值记作i_Q0；

永磁体磁链受磁钢温度影响较大，交直轴电感也受到磁钢温度和交直轴电流的共同影响。在Ansoft环境下采用有限元分析方法得到电机动态参数可表示为：

对于D轴电感L_D随D轴电流i_D的变化较小，只随温度的变化明显，具体D轴电感L_D随温度变化的曲线如下式：

L_D(t)＝L_D0γ_tt

磁链ψ_f随温度变化的曲线如下式：

ψ_f(t)＝ψ_f0γ_tt

Q轴电感L_Q随温度变化的曲线表达如下：

Q轴和D轴电感差值用ΔL_err表示，表达公式如下：

Δi_Q0表示Q轴电流i_Q和i_Q0之间的差值，表达式如下：

Δi_Q0＝i_Q-i_Q0

ΔL_err0表示Q轴电感初始值L_Q0和D轴电感初始值L_D0之差，表达式如下：

ΔL_err0＝L_Q0-L_D0

4)电流角度计算模块

电流角度计算模块的输入参数为：电机磁链初始值ψ_f0、ΔL_err0、Δi_Q0以及调节后的给定电流幅值i_S，输出参数为：最大转矩电流比角度β；

已知满足最大转矩电流比控制的定子电流角β计算模型为：

将随磁钢温度t变化的磁链ψ_f(t)、D轴电感参数L_D(t)以及Q轴随磁钢温度和Q轴电流变化而变化的电感参数L_Q(i_Q,t)等带入上式，整理得到下式所示：

当i_Q＜i_Q0时，定子电流角表达式为：

当i_Q≥i_Q0时，定子电流角表达式为：

从以上两公式可以看出，随磁钢温度t变化的磁链ψ_f(t)、D轴电感参数L_D(t)以及Q轴随磁钢温度和Q轴电流变化而变化的电感参数L_Q(i_Q,t)，表现在电流角β上，是以Q轴电流变化而变化的，即将电流角β随电机参数多变量变化的状态，简化为只随Q轴电流变化而变化的单变量状态，从而实现了在电机参数变化过程中对最大转矩电流比控制的电流角度β求取公式的简化；

5)电流给定值计算模块

电流给定值计算模块是按照输入变量来分配D轴和Q轴给定电流分量功能的模块；

电流给定值计算模块输入变量为：最大转矩电流比角度β、调节后的给定电流幅值i_S；

电流给定值计算模块输出变量为：定子电流给定值

和

根据定子电流幅值i_S和最大转矩电流比角度β计算定子电流给定值

和

其表达式为：

6)电流前馈解耦计算模块

电流前馈解耦计算模块的输入参数为：

i_D、i_Q、L_Q(i_Q,t)、L_D(t)、ψ_f(t)；输出参数为：给定参考电压

和

其电流前馈解耦计算模块的表达式为：

Δu_D为D轴电流给定值

与D轴电流反馈值i_D的差值，再经过PI调节器输出的结果，即D轴电流闭环调节输出；

同理，Δu_Q为Q轴电流给定值

与D轴电流反馈值i_Q的差值，再经过PI调节器输出的结果，即Q轴电流闭环调节输出；

将模块输入变量的电机参数带入上述表达式，得到电机给定参考电压表达式如下式：

电流前馈解耦计算模块输出的给定参考电压

和

输入到脉冲调制模块，产生调制脉冲以控制电机运行。

Claims (2)

1.一种内置式永磁同步电机的控制方法，其特征在于，分六个模块，即采样计算模块(1)、定子电流幅值计算模块(2)、电机参数计算模块(3)、电流角度计算模块(4)、电流给定值计算模块(5)、电流前馈解耦计算模块(6)；

1)采样计算模块

采集逆变器直流母线电压U_dc，以及电机定子电流i_a、i_b；对定子电流i_a、i_b进行Clarke变换和Park变换，得到同步旋转坐标系中定子电流D轴分量i_D和定子电流Q轴分量i_Q；

通过位置传感器(旋转变压器)采集电机转子位置角θ，并计算得到电机转子电角速度ω_r；

2)定子电流幅值计算模块

定子电流幅值计算模块包含转矩电流计算模块和电机电磁转矩估算模块；

转矩电流计算模块的输入变量为给定转矩T^*；输出变量为电机给定电流幅值

电机电磁转矩估算模块的输入变量为i_D、i_Q、L_D(t)、L_Q(i_Q,t)、ψ_f(t)、t；

电机电磁转矩估算模块的输出变量为T_e，其方程表示为：

其中i_D、i_Q为采样计算模块输出变量；L_D(t)、L_Q(i_Q,t)、ψ_f(t)、t为电机参数计算模块输出变量；p为电机极对数；

将电机给定转矩T^*与电机电磁转矩估算T_e做差，将所得转矩差值经过转矩PI控制器调节后，输出量Δi_S用来调节给定电流幅值

调节后的给定电流幅值i_S，其公式如：

3)电机参数计算模块

电机参数计算模块的输入变量为：

i_Q为电机定子Q轴电流实际值；

i_Q0为电感变化率发生转折时的Q轴电流分量；

L_Q0为在常温状态下Q轴的电感分量，为常温下测量值或电机设计给定值；

L_D0为在常温状态下D轴的电感分量，为常温下测量值或电机设计给定值；

ψ_f0为常温状态下电机磁链值，为常温下测量值或电机设计给定值；

t为磁钢温度；

ρ为曲线系数，为0.1％-0.3％；

γ_t磁钢温度系数，可从磁钢手册中查找到；

其输出变量为：

L_Q(i_Q,t)为Q轴电感随i_Q和温度t变化的值，

L_D(t)为D轴电感随温度t变化的值，L_D(t)＝L_D0γ_tt；

ψ_f(t)为电机磁链随温度t变化的值，ψ_f(t)＝ψ_f0γ_tt；

ΔL_err0为在常温下Q轴电感L_Q0和D轴电感L_D0的差值，ΔL_err0＝L_Q0-L_D0；

Δi_Q0为Q轴实际电流i_Q和i_Q0之间的差值，Δi_Q0＝i_Q-i_Q0；

4)电流角度计算模块

电流角度计算模块的输入参数为：电机磁链初始值ψ_f0、ΔL_err0、Δi_Q0以及调节后的给定电流幅值i_S，输出参数为：最大转矩电流比角度β；

当i_Q＜i_Q0时，最大转矩电流比角度β表达式为：

当i_Q≥i_Q0时，最大转矩电流比角度β表达式为：

5)电流给定值计算模块

电流给定值计算模块输入变量为：最大转矩电流比角度β、调节后的给定电流幅值i_S；

电流给定值计算模块输出变量为：定子电流给定值和

6)电流前馈解耦计算模块

电流前馈解耦计算模块的输入参数为：i_D、i_Q、L_Q(i_Q,t)、L_D(t)、ψ_f(t)；输出参数为：给定参考电压

和

Δu_D为D轴电流给定值

与D轴电流反馈值i_D的差值，再经过PI调节器输出的结果，即D轴电流闭环调节输出；

同理，Δu_Q为Q轴电流给定值

与D轴电流反馈值i_Q的差值，再经过PI调节器输出的结果，即Q轴电流闭环调节输出；

电流前馈解耦计算模块输出的给定参考电压

和

输入到脉冲调制模块，产生调制脉冲以控制电机运行。

2.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电机的控制方法，其特征在于，2)定子电流幅值计算模块中，根据输入的电机给定转矩T^*，通过最大转矩电流比方法，得到此转矩下的D轴电流i_D1、Q轴电流i_Q1；再通过如下公式：

得到电机给定电流幅值

Images